铅当量

定义

铅当量是为便于比较各类防护材料对射线的屏蔽性能而设立的一个比较量。它规定以铅作为比较的基准物质，当一定厚度的某种屏蔽材料与某一厚度的铅层在同一条件下达到相同的屏蔽效果时，就把这一铅层厚度称为该厚度屏蔽材料的铅当量，单位用毫米铅(mmPb)表示^[1]。铅当量数值越大，表明该物体的防护能力越强。

在辐射防护的语境中，铅当量描述的是某一厚度的铅所相当的物体吸收辐射线的能力^[2]。由于铅对辐射线有较强的吸收作用，是广泛使用的辐射防护材料，因此在考察其他防护材料的防护效能时，常统一换算成铅当量来表示，以便相互比较^[2]。例如厚度300 mm的混凝土墙阻挡γ射线的效果与29 mm厚的铅板相同，就说这种混凝土墙的铅当量为29 mm。

与铅当量密切相关的概念是衰减当量(attenuation equivalent)，它指在规定辐射质量的线束和规定几何条件下，用基准物质代替所考虑的物质而获得相同衰减程度时该基准物质的厚度，标记时还需同时给出基准物质种类和入射束的辐射质量^[2]。在医用诊断X射线防护器具的相关标准中，铅当量的测定方法与衰减当量相同，只是以铅片作为基准材料^[3]。

除铅当量外，描述屏蔽厚度的常用方法还有半值层和十分之一值层^[4]。单位厚度屏蔽材料的铅当量称为比铅当量^[4]。材料的铅当量既可通过实验测量获得，也可从相关图表中查得^[4]。

原理

铅当量之所以能够作为通用的比较尺度，基础在于射线在物质中的衰减规律。对于理想的窄束单能光子束，辐射强度随材料厚度的衰减可表示为 $I = I_0 e^{-\mu x}$，其中 $I_0$ 为入射辐射强度，$I$ 为透射辐射强度，$\mu$ 为线性衰减系数，$x$ 为材料厚度^[5]。若1 mm厚的某种材料与某一厚度的铅产生相同的透射率，即 $\mu_W \times 1\text{mm} = \mu_{Pb} \times x$，则对应的铅当量即可由此求出^[5]。

在工程估算中，铅当量也可按 $d_{pb} = \mu_x d_x / \mu_{pb}$ 计算，其中 $\mu_x$ 为组成物体的材料的减弱系数，$d_x$ 为物体厚度，$\mu_{pb}$ 为铅的减弱系数^[2]。铅的原子序数为82，具有良好的能量吸收特性，且容易获得，是用以屏蔽高能电离辐射的理想材料，传统屏蔽材料主要为铅橡胶和铅塑料^[2]。

当射线为连续能谱的X射线、束流较宽或存在明显散射时，衰减关系会变得更加复杂。此时材料的屏蔽效果不再只取决于单一衰减系数，散射和能谱变化都会影响结果，因此不能仅凭理想单能公式直接确定最终铅当量^[5]。

半值层(HVT)是把入射X或γ射线光子数衰减一半所需的物质层厚度，十分之一值层(TVT)则是把光子数衰减到十分之一所需的厚度，两者换算关系为1HVT=0.301TVT、1TVT=3.320HVT^[1]。在屏蔽计算中，若漏射辐射与散射辐射所需的屏蔽厚度相差一个十分之一值层或更大，取两者中较厚者；若相差不足一个十分之一值层，则在较厚者上再增加一个半值层厚度^[6]。

发展历程

用铅作为屏蔽射线比较标准并形成通行的铅当量指标，与医用X射线防护器具标准化进程紧密相连。1989年，当时的国家医药管理局发布了专业标准ZBC43022-89《医用X射线防护用品铅当量试验方法》，对铅当量试验的管电压和过滤条件作出规定^[7]。

1996年，研究人员在《中华放射医学与防护杂志》上撰文指出，由于医疗照射防护用防护材料发展较快，很多产品常用铅当量这一指标表示其对射线的吸收性能，有必要对铅当量的概念和含义进行正确理解，否则会造成屏蔽不足或屏蔽过分^[7]。

此后，国内相关标准不断修订并与国际标准接轨。医用诊断X射线辐射防护器具的行业标准YY/T 0292.1-2020修改采用国际电工委员会标准IEC 61331-1:2014，增加了铅当量的级别，并把铅当量的标准厚度等级规定为0.25 mm、0.35 mm、0.5 mm和1 mm^[3]。该系列标准的第3部分针对防护服、防护眼镜和患者防护帘，同样修改采用了IEC 61331-3:2014，并在修订中把全文的衰减当量表述改为铅当量^[8]。

国内用于放射诊断场所防护的强制性标准也在持续更新。《放射诊断放射防护要求》(GBZ 130-2020)对各类X射线设备机房的屏蔽防护提出了以铅当量表示的厚度要求，并给出了不同屏蔽物质铅当量的计算方法。

应用

铅当量最直接的应用是确定X射线设备机房的屏蔽厚度要求。按照《放射诊断放射防护要求》(GBZ 130-2020)，CT机机房有用线束方向和非有用线束方向的铅当量均不应低于2.5 mmPb，单管头X射线设备机房两个方向均不应低于2 mmPb^[9]。机房的墙体、顶棚、地坪、防护门和观察窗都要按折算后的等效铅当量核算，并逐一与标准限值比对^[10]。

在实际工程中，不同屏蔽材料的厚度需要折算成等效铅当量。以标准混凝土为例，在150 kV有用线束条件下，106 mm标准混凝土相当于1 mmPb；在125 kV有用线束条件下，87 mm标准混凝土相当于1 mmPb，191 mm标准混凝土相当于2 mmPb^[11]。硫酸钡防护涂料、实心砖等材料也按各自的密度和管电压条件折算铅当量。

铅当量同样是个人防护用品和防护设施的核心指标。按GBZ 130-2020的要求，除介入防护手套外，防护用品和辅助防护设施的铅当量不应小于0.25 mmPb，介入防护手套铅当量不应小于0.025 mmPb，甲状腺、性腺防护用品铅当量不应小于0.5 mmPb，移动铅防护屏风铅当量不应小于2 mmPb；为儿童X射线检查配的防护用品和辅助防护设施铅当量不应小于0.5 mmPb^[12]。

在医用X射线防护器具标准体系中，铅当量等级是产品标识的组成部分。按YY/T 0292.1-2020，铅当量应以铅的厚度连同铅的化学符号、测定方法以及表示辐射质量的X射线管电压、半价层或放射性核素代码一并标记^[3]。防护服装方面，X射线防护服标准GB 16757-2016等也对防护服的铅当量提出了要求^[13]。

在工业领域，铅当量用于X射线探伤室等场所的屏蔽设计。计算时先求出屏蔽透射因子，再按 $X = -TVL \cdot \lg B$ 算出所需屏蔽厚度，并与铅当量限值比较^[14]。除铅及含铅材料外，钨合金等替代材料也可按毫米铅当量进行设计和表示^[5]。

局限

铅当量并非材料的固有常数，同一厚度的同一种防护材料，其铅当量会随所使用的X射线峰值管电压而变化。对含铅的防护材料和用品，铅当量随峰值电压变化不大，但铅对峰值管电压介于40.0~88.0 keV之间的电离辐射存在一个弱吸收区；对非含铅材料，铅当量随管电压变化则较大。这意味着在标明铅当量时，必须同时说明多厚的材料、在什么能量射线条件下测得的铅当量^[7]。

铅当量与屏蔽材料厚度也不是简单的正比关系。屏蔽材料厚度增加一倍或减少一半时，铅当量并非相应增加一倍或减少一半^[7]。其原因在于每种物质的质能减弱系数与光子能量之间存在复杂的函数关系，而不同厚度的物质对各种能量光子的散射性能和累积因子也不相同^[7]。此外，铅当量还和线束大小即照射野大小有关^[7]。

材料的纯度和工艺因素也会影响实际铅当量。理论上12 mm纯铅板等于12 mmPb铅当量，但按IEC要求纯度需在99.9%以上，实际中很难达到，铅会氧化，厚度均匀性、是否损伤、内部致密性都会影响铅当量，因此12 mm的纯铅板并不完全具有12 mmPb当量。

由于测试条件和测量量的不同，铅当量所标示的防护效果与实际使用中的效果可能存在差异。有研究指出，对于相同能量的X射线和相同铅当量的防护服，实验室推荐的无水模分次测量方式与防护实践中常用的单次测量方式结果不同，单次测量在一定程度上低估了防护服的防护效果；因此在屏蔽防护用品选型中，单纯依据铅当量厚度并不充分，建议结合能量依赖性和测量方法差异制定分级防护标准^[15]。

对于具有孔洞、接缝、曲面、安装孔或多层复合结构的不规则屏蔽件，仅知道主体区域达到多少毫米铅当量，并不能保证整个零件都达到相同的屏蔽水平，局部泄漏可能成为剂量控制的薄弱点^[5]。

参见

• 衰减当量 —— 以基准物质厚度表示同等衰减程度的概念，与铅当量测定方法相同。

• 半值层 —— 将射线光子数衰减一半所需的材料厚度，是屏蔽设计的常用参数。

• 十分之一值层 —— 将射线光子数衰减到十分之一所需的材料厚度。

• 放射诊断放射防护要求 —— 规定X射线设备机房和防护用品铅当量限值的强制性标准。

• 铅防护服 —— 以铅当量作为核心性能指标的医用辐射防护用品。

• 射线屏蔽 —— 通过设置屏蔽层降低辐射水平的防护手段。